超声波对生物酶用于处理棉织物的作用(下) yd9602

唐志翔   上海市印染技术研究所  200020

收稿日期：2007-07-19

作者简介：唐志翔，男，教授级高级工程师，长期从事染整技术的科研工作

原载：染整技术2007/12；12-15

 

【关键词】超声波 棉织物 生物酶 纤维素酶 果胶酶

【中图分类号】TS190·5文献标识码：A   文章编号：1005-9350(2007)12-0012-04

 

上期提要：生物酶在纺织品染整生产中的应用范围正在不断扩大，但存在成本高、处理时间长等问题。如在纤维素酶处理时应用超声波，可以显著提高酶的活性，而基本不影响棉织物的断裂强力，因而可以在生产中减少酶的用量和加工时间，克服酶应用存在的成本高、时间长的缺点。

 

3   超声波对果胶酶生物煮练的作用[9]

    棉织物的煮练一般应用氢氧化钠沸液，需要大量地用水和能源，产生大量的碱性废水，严重影响了环境。生物酶用于棉织物煮练，国内外巳进行了很多研究工作。加工所需温度较低，约为40-50℃，显著降低了能耗；排出废水易于降解，不致对环保有不利影响。但反应速率较慢、加工成本较高是其缺点。

    设想酶生物煮练时引入超声波，其空穴作用所产生的冲击波会对液体边界层形成强烈的搅动，显著改善庞大的酶分子向纤维表面的传递，并且提高总的反应速率。同时，空穴作用对多相体系的纺织品湿加工特别有利。因此，本试验目的便是研究超声波对棉坯布用酸性或碱性果胶酶进行生物煮练的影响。

    本试验的处理参数仍是酶液用量、超声波能量功率、处理时间、机械搅动(循环)速率。分别用两种果胶酶进行试验外，还进行了生物煮练结合退浆、后洗涤的试验，其相应的结果，以润湿性、白度指数、均匀性、断裂强力来表示。

3·1   实验

3·1·1   织物

    Testfabrics公司棉印花原坯布(122g/m2)织物试样(508mm×330mm)缝边。每块试样称重约25g。

3·1·4   生物酶

    两种果胶酶：酸性果胶酶Viscozyme L和碱性果胶酶Bioprep L，都来自Novo Nordisk生化公司。生物酶处理时所用缓冲剂、pH、温使等条件见表5。

表5  生物酶和反应条件

酶

活性/g

缓冲剂浓度mol/L

pH

温度℃

Viscozyme L

lOOFB

醋酸盐0.01

4.0

40

Bioprep L

300O apsu

磷酸盐0.01

8.2

55

3·1·3   设备

    同本文2·1·3中所述。

3·1·4   测定

    测定了用酶和酶加超声波在各种条件下处理所有试样的润湿性、断强和白度指数，并用棉印花原坯布样进行比较，所有测定都在恒定条件(21℃和65%相对湿度)下调湿24h。每块布样经、纬向各切割三条布条（2.5cm×l7.8cm），并在相同条件下测定。

润湿性测定：按AATCC芯吸试验法评价试样的润湿性，测定水分通过试样布条芯吸上升3cm的时间。经、纬向各分别重复测试三块布条试样。

断裂强力测定：按标准方法ASTM D5035-95(布条法)在lnstron试验仪上测定经、纬向的断裂强力。

    白度指数测定：根据AATCC试验方法l10-1995。

    所有酶生物煮练试验的说明、处理时间及编号如表6所示:

         表6煮练试验的说明及处理时间

试验说明

处理时间h

编号

用酸性果胶酶生物煮练

1

ACP-1

6

ACP-6

用碱性果胶酶生物煮练

2

ALP-2

用碱性果胶酶生物煮练结合退浆和（或）后洗涤

2

ALP(C)-2

常规强碱煮练

0.5

ALK-0.5

3·2  结果和讨论

3·2·1酸性果胶酶生物煮练试验

    ACP-l和ACP-6两种试验的处理参数如表7所示：

表7  酸性果胶酶试验的处理参数

试验

试样

酶液用量g/L

试验电流A

循环速率L/min

ACP-l

1-l

0.5

0

1.4

l-2

5.0

15

1.4

ACP-6

6-1

0.5

0

1.4

6-2

5.0

15

1.4

注：试验电流是指产生超声波能量的电流量

    上述两种试验中原坯的、酸性果胶酶处理的以及酶加以超产波处理的三块重复试验样的平均润湿性(经+纬)，分别表示于图2和图3中，

  图2 酸性果胶酶生物煮练lh后的平均润湿性

图3  酸性果胶酶生物煮练6h后的平均润湿性

    由图2、图3可以看出：

    (1)酸性果胶酶生物煮练的润湿性和原坯布相比，ACP-l略有改善;而ACP-6则有较大的改善，但处理时间增加了5僧，而且所得润湿性仍然较差(芯吸叶间约200s)。

    (2)酶加超声波处理，两种试验都可显著改进酶的性能，即润湿性都可显著改善。

    说明：如本文2·2·1中所述，由于试验设备原因，只是织物试样总面积的-半经受超声波的作用。

3·2·2  碱性果胶酶生物煮练试验

    Novo公司开发的碱性果胶酶，据说对棉纤维并不损伤，且在温和的碱性条件下处理。本试验中除了处理时间采用了较实用的2h外，其他试验参数都同酸性果胶酶。

    碱性果胶酶生物煮练的三块重复试样 (ALP-2分别的润湿性数据表示在图4中；其断强和白度指数的平均数据表示在图5、图6中。 

图4  碱性果胶酶生物煮练2h后的润湿性

图5  几种煮练工艺对断裂强力(经+纬)的影响比较

图6  几种煮练工艺对白度指数的影响比较

    由图4～图7讨论如下：

    (1)根据图4中碱性果胶酶生物煮练的三块重复试样的润湿性汁算出来的平均值，比原坯布(见图2)略有改善；而各只重复试样之间的差异很大，例如图4中试样2的润湿性(芯吸时间)约110s，而试样1约为2200s，两者相差约20倍，说明处理很不均匀。酶加超声波处理，三块试样的润湿性都有显著的改善。

    (2)根据图5，碱性果胶酶生物煮练试样同原坯布样和常规强碱煮练试样相比，断强无明显差异。酶加超声波处理，断强则略有增加。

    (3)根据图6，碱性果胶酶生物煮练试样的白度指数，比原坯布样可有显著的改善。酶加超声波处理的白度指数略降，但还远优于原坯布样。

    (4)图2、图4(平均值)及图6中数据表明：用碱性果胶酶生物煮练的棉坯织物与用酸性果胶酶的ACP-l相比，有较好的润湿性和白度指数。

针对碱性果胶酶生物煮练试样之间性能方面的不均匀情况，决定将加工工序进行一些变动，结合应用了退浆和(或)温和的后洗涤，以去除基质物内果胶物质经果胶酶水解后的产物。表8列出了新的一系列碱性果胶酶生物煮练试样[试验ALP(C)-2]的处理组成，设计用以研究各种工序如退浆、后洗涤和引入超声波处理及其各种结合对棉印花坯布酶生物煮练的影响。

        表8碱性果胶酶生物煮练处理 [试验ALP（C）-2]的各种处理组合

试样

试样说明

G

GS

GSU

GSW

GSWU

D

DS

DSU

DSW

DSWU

棉原坯布

生物煮练

生物煮练和超声波

生物煮练和后洗涤

生物煮练、后洗涤和超声波

退浆

退浆和生物煮练

退浆、生物煮练和超声波

退浆、生物煮练和后洗涤

退浆、生物煮练、后洗涤和超声波

后洗涤工序是在0.1%非离子表面活性剂Triton X-l00液中、82℃处理2min。对试验ALP(C)-2所用其他处理参数，如碱性果胶酶用量、加工溶液循环速率、超声波能量功率(电流)以及处理时间都相同于试验ALP-2。

图7～图9表示碱性果胶酶生物煮练、退浆、后洗涤、超声波及其相结合的处理对棉印花坯布润湿性或断强的影响。今加以分析讨论如下：

图7各处理组合对棉印花坯布样润湿性的影响

图8超声波对生物煮练组合加工的润湿性影响

图9生物煮练各组合工艺对织物断裂强力的影响

    (1)图7中碱性果胶酶生物煮练(重复试样GS-1、2和3)的芯吸时间或润湿性，比棉原坯样(见图2和3)可有显著的改善，但均匀性很差。

    (2)图7中还表明：只经一步处理，不管是碱性果胶酶生物煮练 (重复试样GS-1、2和3)还是退浆(重复试样D-l、2和3)，并不能增加足够的润湿性和得到较好的均匀性；只有各种结合处理，如退浆-生物煮练(重复试样DS-1、2和3)或退浆-生物煮练-后洗涤的结合(重复试样DSW-1、2和3)，才使处理的试样具有足够的均匀性和润湿性。

    文献[9]中还提到结合的生物煮练和常规强碱煮练相比，有可能提供相等、甚至较好的润湿性和均匀性，但缺少有关的图、表说明。

    (3)根据图8，如同以前试验情况一样，引入超声波处理可显著改进碱性果胶酶生物煮练、退浆-生物煮练、生物煮练-后洗涤、以及退浆-生物煮练-后洗涤的棉原坯布的润湿性，改善了碱性果胶酶的性能，而对酶的专一活性并无任何不利影响，而且超声波使各种结合处理的作用均匀，并且可有一定程性的加速，

    (4)图9表明，所有各种处理试样的断强，同原坯布佯相比并无影响；而引入超声波后的断强，还比酶处理试样和原坯布样稍有增加。

3·3  小结

    (1)酸性和碱性果胶酶的生物煮练能有效地用于棉坯织物的煮练工艺，产生良好的润湿性和白度指数，有助于以后的染整加工，而对织物的断强并无明显的影响。试验表明：在这些万面，碱性果胶酶似乎比酸性果胶酶更为有效。

    (2)确立了碱性果胶酶生物煮练同退浆和后洗涤结合的工艺，可以提高润湿性和均匀性，相似或较优于传统的强碱煮练。

(3)实验室实验中，在上述处理期间引入超声波，可以显著改善两种果胶酶的性能；但并不降低棉织物的断强，实际上反而略有增加。可以克服一般果胶酶生物煮练要比常规强碱煮练需用较长处理时间的问题：由于碱性果胶酶生物煮练结合超声波处理可以显著地改善酶的性能，便可显著地减少生物酶的用量、排放废水的处理负担、能源消耗及总的前处理成本。

4   结论

    (1)超声波对生物酶用于处理棉织物，可以显著改善酶的活性和处理效果，如增加纤维素酶对纤维素的失重率；提高碱性果胶酶生物煮练棉织物的润湿性和均匀性。其作用原理的假设见本文2·3·2。

    (2)超声波可改善生物酶对纤维的扩散系数，深入纤维内部，以及改善酶分子通过棉纤维的迁移作用，而使酶处理较为均匀。超声波本身对织物断强并无影响，由于上述原因，有可能减少酶处理对棉织物造成的断强损失。

    (3)由于超声波处理可以提高生物酶的活性，增加处理效率，因而可以降低处理时间，改进一般生物酶处理时间较长的缺点；减少生物酶的用量、显著降低排放废水处理负担、能源消耗及总的加工成本。

    (4)希望进一步进行上述超声波对生物酶用于处理棉织物的作用的生产性试验，不断完善，投产应用。还希望扩大研究超声波对生物酶应用于其他染整加工中的作用。

5   参考文献

[1]阮慎孚译，超声波在纺织物湿加工中的应用[J]印染译丛，1991(6)；93-99

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[4]陈怡译，一种新颖的染色促进剂——超声波[J]印染译丛，1989（5）；56-60

[5]张幼敏译，超声波对纤维素中C.I直接红81扩散系数的影响[J]印染译丛，1991(4)；66-67

[6]陈怡译，在超声波和紫外线辐射作用下的丝绸低温染色[J]印染译丛，1994(5)：19-22

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